理研ら，軟X線FELを高効率でナノ領域に集光

理化学研究所（理研），東京大学，高輝度光科学研究センターの研究グループは，軟X線自由電子レーザー（軟X線FEL）を高効率でナノ領域に集光可能なシステムを新たに開発した（ニュースリリース）。

軟X線は，試料の電子状態や磁性分布，化学組成などの分析に広く用いられている。なかでもX線自由電子レーザー（XFEL）により発振される軟X線は，高強度かつフェムト秒パルスという光特性を備えている。

軟X線領域ではミラーによる集光が主流で，数マイクロメートル程度の軟X線ビームが実験に利用されてきた。しかし，軟X線利用実験の高度化のためには，新たな集光システムによるビームサイズのさらなる微小化が必要とされていた。

今回研究グループは，KBミラーと回転楕円ミラーという2種類の集光ミラーを組み合わせた「ハイブリッド型の軟X線FEL集光システム」を考案した。KBミラーは，反射面が直交するように配置した2枚の楕円面でX線を反射させることによってX線を1点に集光する。回転楕円ミラーは，1枚の回転楕円面でX線を反射させることでX線を1点に集光する。

それぞれのミラーは「受光できる光のサイズ」と「集光サイズ」において，反対の特徴を持っている。そこで，それぞれの利点を生かすために，KBミラーで軟X線FELを受光・集光してビームを小さくした後，回転楕円ミラーで再び集光するという二段集光光学系を設計した。

回転楕円ミラーの表面材料はニッケルで，X線自由電子レーザー施設「SACLA」の軟X線ビームライン（BL1）で発振波長の8～30nmにおいて高い反射率を示す。

SACLAのBL1で実際に集光システムを構築し，集光実験を行なった結果，波長10nm前後の軟X線を500×550nmの領域に集光し，1×10¹⁶W/cm²を超える極めて高強度な軟X線光電場を形成することに成功した。

次に，形成した高強度集光ビームを用いて，可飽和吸収と呼ばれる非線形光学現象の観測を行なった。集光点に窒化ケイ素（Si₃N₄）の薄膜を設置し，透過率の集光強度依存性を計測した。その結果，強度10¹⁵W/cm²を境に，可飽和吸収の特徴である急激な透過率上昇が見られた。これは，高強度な軟X線電場が形成されている証拠だという。

今回の集光システムを用いることにより，非線形軟X線光学の研究に必要な高強度軟X線電場を広い波長帯域で形成できるようになった。研究グループは，今回の研究成果は軟X線非線形光学や磁性材料の研究をはじめとした，軟X線FELを使用するさまざまな研究分野の発展に貢献するとしている。